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《机械宇宙》

2022-07-12  本文已影响0人  果壳之王
所有混乱,都是尚未被理解的和谐。

一. 局势混乱的17世纪

根据《圣经》的线索,1660年,应该是世界末日。所以彗星就成了忌讳,它是来自宇宙的警告,也是上帝不悦的征兆。瘟疫恰逢其会,肆虐欧洲,夺走了10万人的生命。

二. 科学与愚昧混杂

同样是1660年,皇家学会成立,这是第一个正式的科学组织。皇家学会人才济济:有“现代科学之父”之称的罗伯特·波义耳,发明复式显微镜和真空吸引器的罗伯特·胡克,身兼天文学家、数学家和建筑师身份的克里斯托弗·雷恩等等。
就是这样一群科学家,他们一方面智慧、理性、雄心勃勃,另一方面愚昧、迷信、充满困惑。他们一方面在尽其所能寻找宇宙运行的法则,另一方面又相信天使、炼金术和魔鬼,落后得令人难以置信。
皇家学会非常热衷于做各种实验,但大多数的实验在今天看来,手法过于残酷。但重视实验依然是创新之举,是跨向现代文明的重要象征。对我们而言,“新”就等同于进步,但几乎所有的人类历史都将新的想法视为危险的想法。在上帝被视为全能者的年代,坚持自己进行调查,即是对神的不敬。

但这群新兴科学家坚持观察自然胜过埋首书堆,并且他们不仅满足于单纯地观察世界,他们还坚持亲手操作。

三. 铺路的巨人们

1. 开普勒

开普勒是第谷的助手,在第谷去世后,开普勒得到了全部数据,又花了6年时间,发现了开普勒定律的前两条。第一条定律,是关于行星绕太阳的路径。他发现行星的运行轨道根本不是象征完美的正圆形,而是椭圆形的,而太阳位于该椭圆形的其中一个焦点上。这一发现连他自己也抱怨,作为一名虔诚的信徒,他不知道上帝为何不采用完美的圆形,而是椭圆这种仿佛是“一车粪便”的形状?
第二条定律也被视为异端。他认为行星的运行速度也不是稳定的。行星离太阳较远时,运行速度会减慢;靠近太阳时,运行速度就会加快。开普勒第三条定律则更为复杂,它描述的是行星与太阳之间的距离和沿轨道围绕太阳运转的时间。
但开普勒最大的困惑在于,即便公式在手,他仍不知行星运行的动力为何。他跑在科学赛道的最前端,手握着研究天体的接力棒,却茫然不知下一棒该递给谁。

2. 伽利略

科学的发展从来不是孤立的。伽利略在天文学上的造诣的奇特之处在于,他好像不知道开普勒定律的存在。尽管开普勒曾经将自己写的书寄给伽利略,但是伽利略把书丢在一旁并没有读过。伽利略开始研究地球会不会移动,这一点哥白尼和开普勒都不曾涉及。然后,他将自己的发现公之于世,驳斥了地球不动的观点。
他是通过斜坡实验得出有关距离和时间的定量法则。在一块斜坡上摆了很多细绳,又拿起一个球,让它从斜坡上滚落,仔细听小球碾过细绳的声音并做记录。又用不同重量的炮弹和塑料子弹做实验,发现球的重量并未对滚落速度造成影响,它们会一路并行并同时抵达底部。而球滚动的距离与时间的平方成正比,即使是陡峭的斜坡也不例外。而最陡峭的斜坡状况,就是自由落体了。由此伽利略得出结论,所有的物体,无论重量为何,都会以完全相同的速度落下。

3. 笛卡尔

笛卡儿认识到苍蝇移动的轨迹可以被精确的数字描述。你只需要两条会交成直角的线,比如水平线是墙面和地板的交会处,垂直线是两面墙的交会处。然后无论在任何时刻,苍蝇所在的位置就可以被指出。

笛卡儿首次以一种全新的方式处理几何学,他将所有的曲线当作一个方程式,而非图形。曲线是种方程式,方程式也可以以曲线呈现。他的洞见是一项概念性的革命。代数和几何一直被视为各自独立的学科,现在笛卡儿却将二者视为描述同样一个事实的两种语言。笛卡儿坐标系的出现,被誉为“精密科学前所未有的一大进步”。

四. 巨人肩膀上的艾萨克·牛顿

开普勒当初发现了行星运行的轨道是椭圆形的,但是开普勒百思不得其解,只能证明这是符合观测所得的曲线。而牛顿解释了为什么是椭圆形。他利用微积分为基础的参数表示,如果行星运行的轨道是椭圆形,那么吸引它的力量必定遵循平方反比定律,反之亦然。椭圆形和平方反比定律紧密相连,但只有牛顿才看出了这层关系。
牛顿的这项发现让另一位天文学家哈雷大为震惊。他费尽周折,帮助牛顿完成了他人生中最重要的一部科学著作,即《数学原理》。

在《数学原理》一书中,牛顿从自己的三大定律和少数命题开始,推导出开普勒的三项定律,处理行星绕行太阳的问题,也推导出了伽利略的自由落体定律,还解释了月球的运行、彗星的路径以及潮汐现象。需要提一句,这个解释了潮汐的成因的人,一生从未见过大海。 从滑下斜坡的物体到空中落下的物体,伽利略已经有过一次跃进了。牛顿则是从地球对苹果的引力,一跃到宇宙中所有物体彼此吸引。他写道:“引力涉及所有物体,与其所含物质的量成正比。”这就是“万有引力”理论。物理学家保罗·狄拉克说:“拾起地球上的一朵花,你拉动了最遥远的星星。”
1687年7月5日,《数学原理》一书面世。科学界试图以最高级的形容词来匹配牛顿的成就。法国天文学家拉格朗日宣称,牛顿不止是最伟大的科学家,也是最幸运的科学家,因为宇宙只有一个,而牛顿发现了它。
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